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Marica Franzini – DRONITALY - 24 ottobre 2014 - Milano

L'evoluzione delle tecniche di rilevamento:

dai metodi tradizionali al GPS e alle nuove

tecnologie mediante l'impiego di SAPR

Vittorio Casella, Marica Franzini - Università degli Studi di Pavia

Giovanna Sona - Politecnico di Milano


Le radici dell'evoluzione - 1

La topografia ha radici molte antiche.

Testimonianze su rilievi topografici si hanno fin dall'antico Egitto e,

ovviamente, molte cose sono cambiate da allora .

Come per altri settori, gli ultimi 40 anni hanno rappresentato un periodo

di rapido e profondo mutamento le cui origini vanno ricercate

principalmente in due elementi:

l'elettronica

l'informatica

L'evoluzione è stato così profonda che è stato necessario coniare un

nuovo termine - GEOMATICA - per racchiudere tutte le diverse tipologie

di rilievo oggi esistenti.


Le radici dell'evoluzione - 2

Questo mutamento non si è limitato ad alcuni aspetti ma ha coinvolto:

strumenti/sensori

tecniche (di rilievo e di processamento)

prodotti

La relazione si focalizzerà principalmente sui primi due punti.


La Topografia

Iniziamo dalla disciplina più antica soffermandoci però sulla storia più

recente.

Negli anni '60 il rilievo topografico era una disciplina pienamente matura

anche grazie alla presenza di strumenti ottico-meccanici di elevata

qualità.

Quando si parla di strumento topografico ci si riferisce ad un dispositivo

capace di misurare:

angoli (azimutali e zenitali)

distanze

Se per gli angoli non si sono mai avuti problemi, la misura della distanza

ha rappresentato per molti anni un grosso ostacolo.


Misure di distanza

Agli inizi la distanza veniva determinata sulla base misure angolari.

Ad esempio mettendo in

relazione:

l'angolo al vertice tra due

collimazioni effettuate su una

stadia verticale

la lettura effettuate sulla stadia

stessa

Tali misure erano di scarsa qualità (anche con un buon teodolite l'errore

risulta superiore a 25 cm su 100 m) e per rilievi di precisione ci si basava

unicamente su misura angolari (triangolazioni).


Nascita degli EDM

Risalgono alla fine degli anni '50 i primi esperimenti per determinare la

distanza percorsa da un fascio di luce basandosi sulla differenza di fase

tra l'onda emessa e quella riflessa.

Nascono i dispositivi EDM - Electronic Distance Measurement

Nel 1968, Zeiss combina per la prima volta un

teodolite con un distanziometro elettronico

dando vita di fatto alla prima "Stazione Totale"

(Zeiss ELTA 46).

Un primo traguardo importante è stato

raggiunto: effettuare misure di distanza di

qualità.


Con o senza prisma?

I primi distanziometri richiedevano però che sul punto da misurare fosse

presente un elemento altamente riflettente - il prisma.

Questo costituiva un limite soprattutto in relazione alla produttività.

Il progredire dell'elettronica ha permesso la nascita delle misure senza

prisma - reflectorless; nasce nel 1986 il primo distanziometro senza prisma

(WILD Dior).


La Topografia moderna

Nella topografia classica più recente l'evoluzione si è avuta grazie:

alla capacità di misurare la distanza con elevata qualità

alla possibilità di misurare la distanza senza l'ausilio di prismi

Questo ha influito :

sul rilievo - una maggiore produttività

sul processamento dei dati - possibilità di effettuare rilievi con sole

misure di distanza (trilaterazioni)

La nascita dei distanziometri elettronici ha avuto, come vedremo, anche

ricadute al di fuori del settore topografico; essa ha portato alla nascita di

una nuova tipologia di sensori legati unicamente alla misura di distanza: i

laser scanner.


Topografia satellitare

Nello stesso periodo:

la topografia tradizionale evolveva fino a raggiungere l'attuale

configurazione

maturava un sistema di posizionamento capace di rivoluzionare

totalmente il modo di effettuare il rilevamento

Nel 1960 la NASA, il DoT (Department of Trasportation) e il DoD

(Department of Defence) cominciano a pensare ad un sistema di

posizionamento globale.

Nel 1977 nasce il programma NAVSTAR GPS.

L'avvento del GPS ha avuto ricadute in tutte tutti i settori del rilevamento,

terrestre ed aereo.


Cos'è il GPS?

Il GPS è un sistema di posizionamento satellitare globale.

E’ costituito da una costellazione di satelliti che emettono

incessantemente dei segnali elettromagnetici verso la Terra.

Tali segnali i vengono captati, memorizzati ed elaborati da speciali

ricevitori al fine di determinare, con elevata precisione, la posizione

occupata.

Lo scopo è permettere:

in ogni istante, in ogni luogo e con ogni condizione climatica

il posizionamento tridimensionale di oggetti sia fermi che in movimento


Rivoluzione GPS

Perché il GPS è stato una rivoluzione?

Perché andava, in alcuni casi, a scardinare alcune principi su cui la

topografia classica si poggiava:

il vincolo dell'intervisibilità tra punti

il rilievo basato su osservazioni relative

il rilievo di punti statici


Intervisibilità tra i punti

TOPOGRAFIA: è basata sulla collimazione di punti e si può misurare solo

ciò che si può vedere

GPS: permette di determinare la posizione reciproca tra due punti senza

che essi siano intervisibili

Un esempio …

… per calcolare la posizione relativa di due punti distanti, poniamo 20

Km, è sufficiente mettere in stazione due ricevitori sui due punti per circa

un'ora …

… un lavoro analogo, se svolto con metodi topografici classici,

richiederebbe probabilmente, su un territorio come quello italiano, molti

giorni di lavoro


Posizionamento assoluto e rilievo cinematico

TOPOGRAFIA: effettua misure relative di angoli e distanze

GPS: determina direttamente le coordinate in un sistema di riferimento

assoluto

TOPOGRAFIA: tradizionalmente le misure vengono fatte verso punti fermi

sul territorio

GPS: se posiziono un ricevitore GPS su un veicolo in movimento è possibile

determinare la traiettoria seguita del veicolo stesso

Quest'ultimo aspetto, forse poco importante, nell'ottica di un rilievo

terrestre tradizionale, costituisce invece la chiave di volta per l'adozione

del GPS nel rilievo da mezzi in movimento (aerei, elicotteri, etc).


L'evoluzione del GPS

Al di là della rivoluzione apportata dal GPS nell'ottica del rilievo in

generale, il GPS stesso ha visto internamente profonde evoluzioni:

nelle caratteristiche dei segmenti (satelliti, stazioni di controllo,

ricevitori)

nel soluzioni di processamento (tipologie di segnale)

nelle tecniche di posizionamento (assoluto, relativo, differenziale)

Come già citato le spinte verso tali mutamenti sono sostanzialmente

legate all'elettronica del sistema e all'elaborazione dei dati (informatica).


Il posizionamento satellitare

Il posizionamento GPS si basa sulla capacità del ricevitore di determinare

la distanza che lo separa del satellite.

Tale distanza viene ottenuta dal tempo di volo. Il passaggio tra il tempo e

la distanza viene banalmente ottenuto come: d = tempo ∙ velocità

Le posizioni sono determinate

combinando le informazione di distanza

satellite-ricevitore e la posizione di punti

noti (nel nostro caso i satelliti).

Questa tecnica è chiamata

trilaterazione.

z

y

x

P

xP


Tecniche di posizionamento

Esistono tre tecniche di posizionamento :

• posizionamento assoluto (m)

• posizionamento relativo (mm)

• posizionamento differenziale (cm)

Quale scegliere? Dipende dalle finalità del rilievo.

Per le finalità topografiche solo il posizionamento relativo e differenziale

possono essere presi in considerazione.

Questa considerazione, che pare tutto sommato scontata, è un punto

chiave per l'evoluzione che il processamento dei dati GPS sta avendo

nell'ambito del rilievo da drone.


Il posizionamento relativo

Due ricevitori posizionati su due vertici distinti effettuano misurazioni

simultanee verso uno stesso set di satelliti

I dati raccolti vengono differenziati al fine di eliminare le principali fonti

di errore comuni

Questa tecnica porta al calcolo delle componenti del vettore che

unisce i due punti

Dalla conoscenza della

posizione di un vertice è

possibile determinare l'altro;

la caduta del vincolo di

intervisibilità rende questa

operazione agevole


Il posizionamento differenziale

La posizione del punto viene ricavata da osservazioni contemporanee

effettuate presso una stazione fissa - Master, di posizione nota, ed un

ricevitore mobile - Rover

Il Master, partendo da queste osservazioni, calcola delle correzioni da

applicare alle misure effettuate dal Rover al fine di migliorarne la

precisione

Se i due ricevitori sono

connessi tra loro, questa

operazione può essere

effettuata in tempo reale


GNSS

Sempre più spesso viene adottato l'acronimo GNSS quando si sta

parlando di posizionamento satellitare.

GNSS sta per Global Navigation Satellite System (sistemi di navigazione

satellitare globale). Il GNSS più noto è GPS ma non è l'unico.

Altri sistemi di posizionamento globale esistenti o in programma sono:

Glonass - Russia

Compass (Beidou) - Cina

Galileo - Europa

Tutti i sistemi hanno caratteristiche diverse ma si basano sostanzialmente

sulla stessa architettura e sui medesimi principi di posizionamento appena

illustrati.


Topografia classica e satellitare

Il GPS ha evidenziato immediatamente le sue potenzialità nel

rilevamento terrestre affiancando in breve tempo le tecniche

topografiche classiche in quello che viene diffusamente chiamato rilievo

integrato.

GPS:

coordinate tridimensionali assolute di elevata qualità

superamento del vincolo di intervisibilità

Topografia:

capacità di misurare la posizione di punti non stazionabili

capacità di misurare punti situati al chiuso o in zone con scarsa

visibilità dei satelliti


GPS per la determinazione di veicoli in movimento

Nell'ambito del rilevamento, la capacità di poter determinare la

posizione, e la traiettoria, di oggetti in movimento, ha reso il GPS un

valido supporto per molte tecniche:

fotogrammetria aerea

laser scanner aereo (Lidar)

droni

MMV - Mobile Mapping Vehicle

Affrontiamo a questo punto l'evoluzione che hanno avuto le tecniche di

rilevamento da aereo cominciando da quella che, parallelamente alla

topografia, è stata una protagonista principale nell'ultimo secolo: la

Fotogrammetria.


La Fotogrammetria - 1

Le tecniche topografiche, classiche e GPS, sono caratterizzate:

da un'elevata qualità

da una bassa produttività

Produrre cartografia di un centro

storico significa misurare le

coordinate di decine o centinaia

di migliaia di vertici.

La topografia misurando un solo

punto alla volta richiederebbe:

tempi lunghissimi

costi elevatissimi


La Fotogrammetria - 2

Un’immagine aerea cattura in un

solo istante la posizione di

innumerevoli punti.

E' possibile ricostruire le coordinate

che un oggetto ha nel mondo a

partire dalla posizione che

occupa nelle immagini.

Nasce la FOTOGRAMMETRIA.

E' una disciplina più giovane rispetto alla topografia, ma vanta un storia

centenaria:

1867 viene per la prima volta utilizzato il termine in una pubblicazione

1910 nasce l'ISPRS


Principio di collinearità

Un medesimo punto oggetto P può essere visto su due distinte

fotogrammi su cui avrà formato i punti immagine P1 e P2.

Durante la fase di restituzione,

la posizione di P viene

individuata come intersezione

delle due rette omologhe

determinate tramite il

principio di collinearità.

Occorrono almeno due

immagini per realizzare la

restituzione fotogrammetrica.


L'evoluzione in fotogrammetria

La fotogrammetria ha, nel corso degli anni, subito importanti evoluzioni in

diversi settori:

nei sensori utilizzati per l'acquisizione

negli strumenti usati per la restituzione fotogrammetrica

nelle procedure di calcolo per la determinazione degli parametri di

orientamento esterno dei fotogrammi

Le tecnologie attualmente utilizzata nel rilievo da drone hanno avuto

origine dalle evoluzioni che la fotogrammetria aerea a avuto nel recente

passato.


La Fotogrammetria analogica

Come per la topografia, fin dagli anni '70 esistono camere aeree di alta

qualità. Le camere producono immagini su pellicola della dimensione di

23 x 23 cm.

Le prime importanti evoluzioni che la fotogrammetria ha subito negli anni

recenti sono legate agli strumenti di restituzione.


Restitutore analogico e analitico

Restitutore analogico: fino agli anni '70, le immagini acquisite venivano

poste in restitutori analogici che determinavano le coordinate tramite

dispositivi ottico meccanici

Restitutore analitico: lo sviluppo e la diffusione dei computer ha permesso

di accoppiare a restitutori di tipo ottico-meccanico la potenzialità di

calcolo di un PC


Restitutore digitale

La capacità di digitalizzare i fotogrammi con appositi scanner a reso il

processo completamente digitale: nascono le DPW - Digital

Photogrammetric WorkStation.

Esse sono soprattutto caratterizzate da un alto grado di automatismo.


Camere aeree digitali

Rispetto al mondo della fotografia amatoriale, sono recentemente

(ultimo decennio) la fotogrammetria aerea diviene totalmente digitale

con la comparsa delle prime camere aeree digitali.

Nonostante gli sviluppi tecnologici, a tutt'oggi, queste camere non

permettono ancora l'acquisizione di immagini di dimensioni simile a

quelle analogiche.

La necessità di mantenere la produttività simile a quella garantita fino a

questo momento ha portato le case produttrici ad adottare diverse

strategie di acquisizione:

a matrice

a linee


Acquisizione a matrice

La camera dispone di più obbiettivi che acquisiscono porzioni diverse di

terreno garantendo però zone di ricoprimento.

L’immagine finale viene ottenuta come composizione delle immagini

acquisite dai singoli sensori.


Acquisizione a linee

La camera ha un unico obbiettivo e sul piano focale sono disposti

numerosi sensori CCD a linee.

Le immagini vengono acquisite da almeno tre angolazioni diverse.


I sensori multispettrali

Le camere aeree digitali permettono di avere una vasta gamma di

immagini diverse: immagini multi ed iperspettrali.

Le camere digitali acquisiscono le immagini registrando la radianza

emessa dagli oggetti in diversi intervalli dello spettro; tipicamente le tre

bande relative allo spettro visibile sono il rosso, il verde e il blu.

"Impacchettando" le tre immagini è possibile formare l'immagine così

come noi la vediamo.


I sensori iperspettrali

Le camera iperspettrali operano in modo analogo registrando:

una maggior porzione di spettro (non solo il visibile)

suddividendo lo spettro in intervalli più piccoli

L'immagini finale è l'"impacchettamento" di tutte le immagini registrare;

spesso si parla di "cubo iperspettrale".

Se inserisco in un grafico il

valore di riflettenza registrato

per ognuno degli intervalli

spettrali è possibile identificare

gli elementi presenti in un

immagine.

Creo la cosiddetta "firma

spettrale".


Esempio

Immagine di immagine pancromatica, multi-spettrale e a falso colore

acquisita contestualmente da una camera Leica ADS40 (SH52).


La determinazione dei parametri di orientamento

E' possibile effettuare la misura fotogrammetrica una volta noti i

parametri di orientamento esterno dei singoli fotogrammi.

Questo significa conoscere:

la posizione del centro di presa

(X, Y, Z )

l'orientamento della camera (ω,

φ, κ )

Questi 6 numeri sono definiti parametri di orientamento esterno ed

esistono 6 parametri di orientamento per ogni fotogramma acquisito.


Triangolazione aerea - 1

In passato non era possibile determinare direttamente tali parametri e il

problema veniva risolto con un procedimento chiamato triangolazione

aerea.

L'operatore doveva effettuare la misura sulle immagini al alcuni punti; essi

erano divisi in due grandi categorie;

punti di legame (TP): punti di cui si conoscono solo le coordinate

immagine misurate

punti di appoggio (GCP): punti di cui si conoscono le coordinate

immagine misurate e le coordinate in un sistema di riferimento assoluto


Triangolazione aerea - 2

Basandosi sul principio della collinearità si costruisce un sistema di

equazione che mette in relazione:

le coordinate immagine di TP e GCP - note

le coordinate oggetto dei GCP - note

i parametri di orientamento esterno - incogniti

La risoluzione di questo sistemata di equazione permette di determinare i

parametri di orientamento di ogni fotogramma.

Per risolvere il problema in questo modo occorre conoscere e quindi

rilevare preliminarmente per via topografica le coordinate oggetto dei

GCP.


Fotogrammetria diretta - 1

Il GPS e i sensori inerziali (IMU) hanno comportato l'ultima importante

evoluzione nel campo della fotogrammetria aerea.

Il GPS permette di determinare la posizione della camera.

Il sistema IMU permette di determinare gli angoli di assetto.

In questo modo, in linea teorica, non è necessario effettuare alcuna

triangolazione aerea. Si parla in questo caso di fotogrammetria diretta.


Fotogrammetria diretta - 2

L'uso dei parametri di orientamento esterno ricavati da un sistema

GPS/IMU no ci salvaguarda però dell'introduzione di eventuali errori che

possono influenzare il dato finale.

La fotogrammetria diretta funziona:

se la soluzione GPS/IMU è sufficientemente accurata

se i parametri di calibrazione interna della camera sono

sufficientemente stabili

I sensori GPS/IMU e le camere adottate in fotogrammetria aerea

assicurano in linea teorica entrambe le condizioni.

Vedremo che per il rilievo da drone la situazione è un po' più complicata.


Lidar - 1

Il Lidar aereo è nato poiché:

si ha la capacità di misurare la distanza senza l'ausilio di un prisma

esistono i dispositivi GPS/IMU

E' basato sulla scansione del territorio sorvolato da un aereo o da un

elicottero per mezzo di un telemetro laser.

Esso misura la distanza fra il

punto A, materializzato dal

telemetro stesso, e il punto di

riflessione B, che rappresenta

il generico punto

appartenente al terreno.


Lidar - 2

Il lidar non si limita solo a misurare la distanza fra i punti A e B ma fornisce

anche le coordinate del punto B.

Perché questo sia possibile occorre conoscere:

la posizione dell’aereo in ogni istante

l’assetto dell’aereo in ogni istante

Questo vi da' la possibilità di

determinare la posizione

tridimensionale dei punti

colpiti.


Produttività

Un buon topografo impiega pochi secondi a effettuare una misura con

stazione totale.

I nuovi sistemi Lidar aerei hanno una produttività tra 500 e 1000 kHz; ciò

significa determinare la posizione tridimensionale di 1'000'000 di punti al

secondo.

Questa capacità permette di avere una descrizione estremamente

particolareggiata del terreno sorvolato.


Rilievo da drone

Il rilievo da drone rappresenta l'ultima evoluzione delle tecniche di

rilevamento aereo.

Quanto visto fino ad adesso è il punto di partenza (l'esperienza)su cui si

basano i sistemi di rilevamento da drone.

Gli ultimi anni hanno mostrato l'introduzione sul mercato di sempre

maggiori soluzioni:

in relazione al vettore (droni ad alla fissa o a rotore di varie dimensioni

e payload)

in relazione ai sensori montati a bordo

in relazione alle metodologie di processamento dei dati


Fotogrammetria aerea vs droni

Il confronto tra la fotogrammetria aerea e da drone viene spontaneo.

Se da un lato esistono innumerevoli punti di contatto ...

tipologia di sensori

tipologia di processamento delle immagini

tipologia di prodotti

... dall'altro alcune peculiarità rendono le due tecniche ancora

sostanzialmente diverse

flessibilità

produttività

calibrazione

orientamento


Flessibilità e produttività

A differenza della fotogrammetria aerea, che richiede operazioni di

progettazione ed esecuzione del volo affidate a poche ditte

specializzate, il rilievo da drone è "teoricamente" estremamente flessibili:

volo quando voglio

volo con limitato preavviso

La fotogrammetria aerea vanta una maggiore produttività connessa:

alle altezze di volo: 800÷6000 m vs 50÷300 m

alla risoluzione delle camere utilizzate: 190 MP vs 24 MP

Queste caratteristiche, altre alla limitata autonomia di volo, rende il

rilievo da drone più sensibile rispetto all'estensione dell'area da acquisire.


Calibrazione

Le camere aerea vengono costruite e calibrate in moda da fornire una

geometria praticamente perfetta; esse sono inoltre estremamente stabili

nel tempo e nello spazio.

Le camera montate a bordo dei droni sono invece più deboli da questo

punto di vista e richiedono un'attenta fase di calibrazione interna per

ottenere i risultati attesi.


Orientamento

La nascita dei sistemi GPS/IMU ha ricoperto un ruolo importante

nell'evoluzione della determinazione dell'orientamento delle immagini

acquisite.

Alcuni sistemi, come il Lidar e le camere aeree a linee, non esisterebbero

senza l'esistenza di sensore GPS/IMU.

La loro importanza è evidente anche nel caso da rilievo da drone dove:

agevolano le operazioni di acquisizione del volo pianificato

possono costituire l'orientamento esterno iniziale per le successive fase

di processamento

La loro qualità non è tuttavia ancora sufficiente per effettuare una

fotogrammetria diretta.


Grazie per l'attenzione!

Vittorio Casella, Marica Franzini - Università degli Studi di Pavia

Giovanna Sona - Politecnico di Milano

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